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리튬이온전지 대체할 싸고, 안전한 수계이차전지가 온다

등록일 : 23-09-19
에너지저장연구센터 오시형 박사팀
조회수 : 6254

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230918_[KIST 보도자료] 리튬이온전지 대체할 싸고. 안전한 수계이차전지가 온다_업로드용.hwp

- 발생한 수소 가스를 스스로 물로 바꿔 전지의 안전성 확보

- 값싸고 더 안전한 수계이차전지의 상용화를 위한 돌파구 마련

올해 여름 지구는 전례 없는 폭염과 폭우 등 기상이변을 겪고 있다. 위기를 맞은 지구가 지속 가능하기 위해서 신재생에너지 개발과 인프라 확대는 이제 선택이 아닌 필수적인 생존전략이 됐지만, 날씨 등의 변수에 따라 전력 생산의 변동성이 크다는 명백한 한계를 갖고 있다. 이러한 이유로 필요에 따라 생산된 전력의 저장 및 공급이 가능한 에너지저장장치(ESS)의 수요가 함께 증가하고 있는데, ESS에 사용되는 리튬이온전지는 가격이 비싸고 발화 위험성이 높아 값싸고 안전한 이차전지 개발이 시급하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 오시형 박사 연구팀은 수소 가스 발생으로 인한 전지의 내부 압력 상승과 전해질 고갈 현상에 스스로 대처할 수 있는 수계이차전지를 개발했다고 밝혔다. 수계이차전지는 물을 전해질로 활용해 리튬이차전지에 비해 에너지밀도는 낮지만, 원재료 가격이 1/10 수준으로 경제성 측면에서 큰 이점이 있다. 하지만 물 분해로 발생하는 수소 가스로 인해 내압 상승 및 전해질 고갈 현상이 수계이차전지의 안정성 저하를 유발해 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

지금까지는 금속 음극과 전해질 간 접촉을 최소화할 수 있도록 하는 표면 보호층 형성 기술 개발을 통해 수소 발생을 억제함으로써 성능 및 안정성을 확보하고자 했다. 하지만 금속 음극의 부식 또는 전극 반응에 수반된 부반응으로 전해질인 물이 분해되면서 소량의 수소 가스가 지속적으로 발생해 장기간 운영 시 야기될 수 있는 폭발의 문제를 완전히 해결할 수 없었다.

연구팀은 이산화망간-팔라듐 복합촉매를 개발해 전지 내부에서 발생하는 수소 가스를 전해질인 물로 전환하는 자기조절 기능이 작동함을 확인했다. 전지의 성능과 안전성을 모두 확보한 것이다. 이산화망간은 일반적인 상황에서 수소 가스와 반응하지 않지만, 소량의 팔라듐이 함께 존재하면 스스로 수소를 흡수해 물로 전환된다. 새롭게 개발한 촉매를 적용한 수계이차전지는 셀 내부의 압력이 0.1 기압 수준으로 유지됐으며 전해질 고갈 현상도 발생하지 않았다.

이번 연구성과는 물을 이용하는 수계이차전지 충·방전 과정에서 발생할 수밖에 없는 수소를 통제할 수 있음을 밝힘으로써 향후 ESS와 같은 중대형 이차전지에 수계이차전지가 사용될 수 있다는 가능성을 보여준 것이다. 원료물질이 고가이면서 폭발 가능성이 높은 유기용매 전해질을 사용하는 리튬이온전지를 대체한다면 중대형 이차전지의 보급이 대규모로 확대될 수 있다.

KIST 오시형 박사는 “본 기술은 수계이차전지에 적용할 수 있는 맞춤형 안전 전략으로 위험 요소가 발생하면 내부에 설치된 안전 메커니즘에 의해 저절로 통제할 수 있도록 전지를 설계한 것”이라며, “아울러 수소 가스의 누출이 큰 위험 요인이 될 수 있는 다양한 산업 현장에 적용해 국민의 안전을 지키는 데 활용될 수 있다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지원으로 나노미래소재원천기술개발사업(2020M3H4A1A03082978)과 중견연구자지원사업(2021R1A2C2008680)을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’ (IF 20.4)에 8월 1일 게재됐다.

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[그림 1] 수계이차전지에서 수소 발생 원인 및 축적에 따른 문제점

수계이차전지에서는 금속 음극이 물이 안정한 구간(녹색 빗금)을 일부 벗어난 전위 및 pH 영역에서(적색 빗금) 작동하기 때문에 소량의 수소 가스가 지속적으로 발생 · 축적될 수 있고 장기간 운영 시 안전을 위협하는 주요 원인이 될 수 있음

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[그림 2] ‘자기조절’에 의한 수계이차전지 안전성 확보 전략

본 연구에서는 부반응으로 발생한 수소 가스를 촉매를 통하여 용매인 물로 자동적으로 재생하는 기술을 수계이차전지에 적용하여 수소 가스에 의한 내부 압력 상승 및 전해질 고갈 현상에 스스로 대처할 수 있는 자기조절 기능을 갖게 하였음. 이산화망간-팔라듐 촉매를 사용하였을 경우 물분해로 인한 스웰링(swelling)이 발생하지 않음을 확인

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[그림 3] 복합촉매에 의해 ‘자기조절’ 메커니즘 규명

이산화망간은 일반적인 상황에서는 수소 가스와 아무런 반응을 하지 않지만 소량의 팔라듐을 같이 존재하게 하면 반응에 필요한 활성화에너지(endothermicity)가 크게 감소되어 수소를 스스로 흡수하여 물로 전환시킬 수 있는 특성이 있음을 밝힘

○ 논문명: Highly safe aqueous rechargeable batteries via electrolyte regeneration using Pd-MnO2 catalytic cycle

○ 학술지: Energy Storage Materials

○ 게재일: 2023. 8. 1.

○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102881

○ 논문저자

- 조현기 연구원(제1저자/한국전력공사 전력연구원)

- 이어윤 박사과정(제1저자/인하대학교)

- 한슬기 박사(제1저자/포스코퓨처엠 에너지소재연구소)

- 오시형 책임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터)